Biosenseur THz à métamatériau tout-métal atteignant une sensibilité ultra-élevée pour la détection de protéines

Résumé

Dans cet article, un biosenseur térahertz (THz) basé sur un métamatériau tout-métal est étudié théoriquement et vérifié expérimentalement. Ce biosenseur utilise de l'acier inoxydable fabriqué par technologie de forage laser. Les résultats de simulation montrent que la sensibilité maximale à l'indice de réfraction et la figure de mérite (FOM) de ce capteur sont respectivement de 294,95 GHz/RIU et 4,03. L'albumine sérique bovine (BSA) a été choisie comme substance de détection pour évaluer l'efficacité du biosenseur. Les résultats expérimentaux montrent une sensibilité de détection de 72,81 GHz/(ng/mm²) et une limite de détection (LOD) de 0,035 mg/mL. Ce biosenseur THz à métamatériau est simple, rentable, facile à fabriquer et possède un grand potentiel pour diverses applications de biosensing.

Introduction

Actuellement, les médecins prélèvent généralement du sérum chez les patients pour divers examens, tels que la détection de tumeurs ou de virus. La méthode préliminaire pour la détection de tumeurs est la détection de protéines, car celles-ci sont des composants de nombreux marqueurs tumoraux. Les albumines sériques constituent la fraction protéique hydrosoluble la plus abondante (52-62 %) dans le plasma sanguin et jouent des rôles nutritionnels et physiologiques essentiels. L'albumine sérique bovine (BSA) est l'une des albumines sériques les plus utilisées en recherche. De nombreuses méthodes existent pour détecter et doser la BSA, notamment la spectroscopie d'impédance électrochimique, l'électrophorèse capillaire et les techniques de diffusion de la lumière. Cependant, elles présentent toutes des inconvénients : procédures complexes, faible reproductivité ou durée excessive. Le développement de nouveaux biosenseurs est donc d'une importance considérable.

L'onde THz se situe entre les micro-ondes et l'infrarouge optique, dans la région de transition de l'électronique à la photonique. Comparée aux ondes lumineuses, l'énergie des photons dans cette bande est très faible, ce qui signifie que les ondes THz ne causent pas de dommages par ionisation aux molécules biologiques. De nombreuses macromolécules biologiques ont également des empreintes digitales uniques dans la bande THz. Les ondes THz ont donc reçu une attention considérable dans le domaine du biosensing.

Les métamatériaux sont des matériaux électromagnétiques artificiels composés de structures sous-longueur d'onde. Leur résonance électromagnétique unique présente de nombreuses caractéristiques, telles qu'un indice de réfraction négatif, une transparence induite électromagnétiquement et une sensibilité extrême à l'environnement. Les métamatériaux sensibles à l'environnement, en particulier ceux composés de structures métalliques sous-longueur d'onde, sont largement utilisés pour détecter diverses biomolécules. La combinaison des ondes THz et des métamatériaux offre une nouvelle méthode de détection pour les molécules biomédicales, permettant non seulement une détection sans étiquetage, mais aussi de repousser les limites de résolution des capteurs existants. De plus, la détection peut être réalisée simplement et rapidement avec une petite quantité d'analyte et sans réactifs chimiques.

Aux fréquences THz, la fabrication de métamatériaux repose généralement sur des méthodes de traitement au micron. La photolithographie ou la lithographie par faisceau d'électrons transfère les motifs micro-nano du photorésistif vers la surface des matériaux fonctionnels, puis une gravure humide ou sèche est nécessaire. Ces méthodes permettent une construction de motifs fins, mais nécessitent des équipements coûteux, des environnements à normes élevées et des procédures fastidieuses. Le forage laser, première technologie pratique de traitement laser, permet de concentrer le faisceau laser dans l'espace et le temps. En focalisant avec une lentille, le diamètre du spot peut être réduit au micron, atteignant des densités de puissance de 10⁵–10¹⁵ W/cm². Avec une telle densité, le forage laser peut être réalisé dans presque tous les matériaux. À notre connaissance, c'est la première application du forage laser à la fabrication de biosenseurs à métamatériau, ce qui réduit significativement les coûts et favorise les applications pratiques.

Cette étude propose, simule théoriquement et démontre expérimentalement un biosenseur THz hautement sensible pour la détection de protéines basé sur un métamatériau tout-métal. Le dispositif est simple à fabriquer, rentable et stable. Il est composé d'acier inoxydable et fabriqué par forage laser. Le capteur a d'abord été simulé et analysé par la méthode des éléments finis (logiciel CST), et sa sensibilité à l'indice de réfraction calculée. Puis il a été fabriqué et mesuré. Les expériences ont confirmé sa haute sensibilité à l'environnement externe. La BSA a été utilisée pour évaluer l'efficacité du biosenseur. Le modèle de Hill a été utilisé pour ajuster les données expérimentales. Une sensibilité de 72,81 GHz/(ng/mm²) et une LOD de 0,035 mg/mL ont été obtenues. Les mesures ont été répétées trois fois pour vérifier la fiabilité.

Conception

La figure 1a montre la structure du biosenseur THz à métamatériau tout-métal proposé. Un motif de haltère creux avec une disposition périodique selon les axes x et y est formé sur une plaque d'acier inoxydable de 50 μm d'épaisseur (conductivité 1,4 × 10⁶ S/m). Les périodes P_x et P_y de la structure unitaire sont de 500 μm et 300 μm. La longueur L et l'écart H du haltère creux sont de 294 μm et 60 μm. Le rayon R des cercles aux deux extrémités est de 60 μm. Le biosenseur a une conception structurelle tout-métal sans substrat diélectrique traditionnel. L'onde THz est incidente perpendiculairement à la surface du métamatériau.

Méthodes et simulation

Une simulation électromagnétique tridimensionnelle par la méthode des éléments finis (logiciel CST) a été utilisée. Des conditions aux limites périodiques ont été appliquées selon x et y, et une couche parfaitement adaptée (PML) dans la direction de propagation z. Le vecteur d'onde k_z était une onde plane se propageant selon l'axe z, les champs électrique et magnétique polarisés selon les axes y et x respectivement. La figure 1b montre un pic de transmission à 0,48 THz.

Pour étudier le mécanisme physique de ce pic de résonance, les distributions de courant de surface et de champ magnétique à la fréquence de résonance ont été simulées. La figure 2 (gauche) montre que les ondes électromagnétiques incidentes polarisées selon l'axe y induisent des oscillations de charge aux deux extrémités de l'ouverture, créant un dipôle électrique. Ces oscillations s'accompagnent d'oscillations de courant contra-rotatives le long des bords des deux trous circulaires, menant à une paire de dipôles magnétiques hors-plan contra-orientés. La figure 2 (droite) montre une paire de dipôles magnétiques opposés évidents selon l'axe z, connectés bout à bout pour former un dipôle toroïdal. La réponse du métamatériau est donc dominée par une combinaison de dipôles électriques et toroïdaux.

Les performances du capteur étant affectées par les paramètres structurels, leur optimisation est nécessaire. La figure 3 montre l'effet des variations de taille structurelle sur les spectres de transmission. Lorsque la longueur L du haltère augmente de 290 à 298 μm, la fréquence de pic rouge-décale depuis 0,48 THz (figure 3a). Lorsque l'écart H augmente de 56 à 64 μm, la fréquence de pic bleu-décale (figure 3b). Lorsque le rayon R varie de 56 à 64 μm et l'épaisseur de la plaque de 40 à 60 μm, la position du pic de résonance change peu. Il est donc plus aisé d'ajuster la fréquence de résonance en modifiant L et H.

L'influence de l'angle d'incidence et de l'angle de polarisation sur les spectres de transmission a également été étudiée. La figure 4a définit ces angles. L'angle d'incidence θ_i est dans le plan y-z, l'angle de polarisation θ_p dans le plan x-y. Lorsque θ_i varie de 0° à 15°, la différence de fréquence du pic de résonance n'est que de 9 GHz (figure 4b). Lorsque θ_p augmente de 0° à 15°, la différence de fréquence est quasi nulle, mais l'amplitude du pic diminue d'environ 0,1 (figure 4c). Le biosenseur est donc quasi insensible aux variations de ces angles, ce qui est bénéfique pour les applications pratiques.

Pour explorer les performances de détection, une couche mince d'analyte de 120 μm a été ajoutée au modèle (figure 5a). La figure 5b montre les spectres de transmission simulés pour différents indices de réfraction (RI) de l'analyte. La sensibilité RI S = Δf/Δn a été définie comme le rapport du décalage du pic de transmission par unité de RI. À mesure que le RI de l'analyte augmente, le pic de résonance rouge-décale. Une bonne linéarité est observée. L'ajustement (figure 5c) donne une sensibilité de 294,95 GHz/RIU.

La performance de détection a été quantifiée par la figure de mérite (FOM) = S/FWHM, où FWHM est la largeur à mi-hauteur du pic de résonance. Le FOM de ce biosenseur est de 4,03.

La plupart des métamatériaux utilisent des substrats diélectriques. Ce biosenseur propose un design tout-métal tout-acier inoxydable avec l'air comme substrat. Comparé aux diélectriques traditionnels (PET, quartz, silicium), l'air a le RI le plus faible. Pour évaluer le rôle du substrat, des simulations avec différents substrats ont été effectuées. La figure 6 montre qu'à mesure que le RI du substrat augmente, la sensibilité RI et le FOM diminuent. Un substrat à RI plus faible offre donc de meilleures performances de détection.

Pour approfondir le principe de détection, les distributions de champ électrique ont été simulées (figure 7). Les vues de dessus et de côté montrent que l'énergie du champ électrique se concentre principalement dans les trous de l'acier inoxydable. Il est donc crucial que l'analyte pénètre dans les trous.

Le tableau 1 résume la sensibilité RI et le FOM du capteur proposé et les compare à d'autres études. Le biosenseur à métamatériau en acier inoxydable présente d'excellentes performances avec une technologie de forage laser peu coûteuse.

Expérience

Matériaux et préparation des échantillons

Pour démontrer la capacité de biosensing, une détection de protéines a été réalisée. La BSA et le tampon PBS (pH = 7,4) ont été achetés chez Sigma-Aldrich. La solution de BSA a été formulée dans le tampon PBS.

La figure 8 montre une image microscope du biosenseur fabriqué. La taille globale est de 12 mm × 12 mm.

Les concentrations de BSA testées étaient 0,2 ; 0,5 ; 2,0 et 4,0 mg/mL. L'analyte a été déposé par méthode de dépôt liquide. À chaque fois, 150 μL de solution BSA étaient transférés sur la surface du biosenseur avec une pipette, puis séchés sur une plaque chauffante à 40 °C. Le chauffage à 40 °C permet une formation plus rapide et uniforme du film protéique. Avant chaque changement de concentration, la feuille d'acier inoxydable était placée dans l'eau déionisée et vibrée dans un nettoyeur à ultrasons pour éliminer le film protéique précédent et nettoyer la surface. La figure 9 montre les photos et images microscopiques du processus d'ajout et de séchage. La figure 9a : feuille propre ; 9b : ajout de solution BSA (0,2 mg/mL) qui reste en surface par tension superficielle ; 9c : film mince de BSA après séchage.

Pour observer l'intérieur des trous, un côté de la feuille a été coupé. Les figures 9d-g montrent qu'après goutte-à-goutte et séchage, une fine couche de BSA pénètre dans les trous, car leur diamètre est bien supérieur à la taille des protéines BSA. Cela prouve que l'analyte peut entrer dans la région sensible du biosenseur, augmentant considérablement la sensibilité.

Mesures spectrales

Toutes les mesures spectrales ont été effectuées avec un système de spectroscopie THz à onde continue (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Le système comprend une électronique de contrôle double laser (DLC), deux lasers à retour distribué (DFB), deux photomélangeurs InGaAs à fibres optiques et quatre miroirs paraboliques hors axe à 90° (figure 10). Les ondes THz sont collimatées et focalisées sur l'échantillon. Tous les spectres de transmission ont été obtenus par balayage entre 50 et 1220 GHz par pas de 40 MHz avec un temps d'intégration de 10 ms en mode balayage rapide. La polarisation de l'onde THz était alignée avec la direction d'ouverture de l'anneau du haltère.

Résultats et discussion

Les expériences de détection de protéines ont été menées avec les quatre concentrations de BSA. Chaque groupe a été ajouté de la plus faible à la plus forte concentration. Toutes les mesures ont été répétées trois fois.

La figure 11a montre qu'à mesure que la concentration de BSA augmente, la fréquence du pic de résonance rouge-décale, conformément aux simulations. La diminution de l'intensité du pic est due à l'absorption de l'onde THz par la protéine BSA.

La relation entre le décalage de fréquence et la concentration n'est pas linéaire, ce qui est courant en biologie. Le modèle de Hill caractérise la capacité de liaison entre le biosenseur et les biomolécules. Il a été utilisé pour ajuster les données (figure 11b) : Δf = Δf_max · [BSA]ⁿ / (K_D + [BSA]ⁿ), où Δf_max est la valeur de saturation, [BSA] la concentration, n le coefficient de Hill, et K_D la constante de dissociation.

L'ajustement donne n = 0,83 et K_D = 2,87 mg/mL. Δf_max ≈ 166 GHz, indiquant le décalage maximal à saturation. Les résultats confirment la fiabilité et la précision de l'expérience.

La sensibilité S du biosenseur a été déduite comme S = Δf_max / δ_max, où δ_max est la densité surfacique de BSA. δ_max = M_BSA / (N_A × P_BSA²), avec M_BSA = 66 430 g/mol, N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹, P_BSA = 6,96 nm. δ_max = 2,28 ng/mm², d'où une sensibilité de 72,81 GHz/(ng/mm²).

K_D obtenu par le modèle de Hill montre que la constante de dissociation est fortement liée à la BSA. La limite de détection (LOD) C_lim a été calculée par C_lim = K_D × S_f / (Δf_max − S_f), où S_f = 2 GHz est la résolution spectrale. C_lim = 0,035 mg/mL.

Le tableau 2 compare les performances de détection de BSA de notre biosenseur avec d'autres études. À la concentration la plus faible (0,2 mg/mL), un décalage de 10,8 GHz a été obtenu, supérieur à ceux des références [45,46,47] à même concentration. La LOD calculée de 0,035 mg/mL est significativement meilleure que celle de la référence [45]. Ces résultats prédisent d'excellentes performances pour de nombreuses applications biologiques et chimiques.

Basé sur ces performances, le biosenseur en acier inoxydable pourrait être modifié avec des anticorps spécifiques pour la détection d'antigènes ciblés. Avec son épaisseur de seulement 50 μm, et le développement des technologies microfluidiques et de spectroscopie THz, une application en mesure en temps réel in vivo est envisageable.

Conclusion

En conclusion, un biosenseur THz basé sur un métamatériau tout-métal a été utilisé pour mesurer des concentrations de protéines. Fabriqué en acier inoxydable par forage laser, il présente une sensibilité RI maximale de 294,95 GHz/RIU et un FOM de 4,03 (simulation CST). Caractérisé par spectrométrie THz à onde continue, il montre pour la BSA une sensibilité de 72,81 GHz/(ng/mm²) et une LOD de 0,035 mg/mL. Ce biosenseur offre les avantages de petite taille, haute sensibilité, faible limite de détection, réutilisabilité, fabrication aisée et faible coût. Ces résultats sont significatifs pour les futures applications en détection biomoléculaire et diagnostic médical.